光影探究箱

研究目的

小學《科學》中“光的傳播”單元探究知識點眾多，課本配套的實驗器材存在一些不足。比如，光學影像實驗器材多而散，需要的存儲空間大，安裝操作費時費力；實驗時，需要拉上遮光窗簾，在比較黑暗的環境中，才能看到實驗光線傳播路徑及成像等。本項目研究制作一套小學《科學》光學影像實驗用器材，嘗試彌補原有器材的不足。

研究過程

設計解決項目

本項目設計了1個底面直徑6cm、高20cm，帶有瓶底和瓶蓋的亞克力圓筒瓶，叫作丁達爾效應瓶。點燃熏香充入煙霧10秒后蓋上瓶蓋，可在3小時內保持煙霧不散，即使取下瓶蓋多次更換瓶口組件，也不用二次充煙。瓶內放入平面鏡，在強光下可利用丁達爾效應清晰地觀察到光線的傳播路徑。以住需要調整照射角度才能觀察到的一些實驗現象，可通過翻轉瓶身輕松實現，操作便捷、成本低，堅固耐用、效率高（如圖1）。

為了解決“小孔成像”和“凸透鏡成像”成像不清晰、像的左右是否相反不易分辨等問題，本項目設計了放映箱和背投成像屏。放映箱為長40cm、寬12cm、高20cm的長方體，兩端敞開，一端放置“F”型光源，另一端放置成像屏。箱體中間開槽用于插入光板，插入帶有小孔的光板可做小孔成像實驗，插入中間安裝有凸透鏡的光板可做凸透鏡成像實驗。放映箱的內部被涂成黑色，用于吸收光線，防止箱體內部光線反射影響成像清晰度。箱體內部底面貼有刻度尺，中間為0刻度，向兩端依次為1，2，3……20cm，用于做平面鏡成像實驗時讀取距離數據（如圖2）。

利用抗光灰全息投影膜制作背投成像屏，與利用光具座實驗時觀察像的角度不同，這個成像屏是從背面觀察，可以從放映箱屏幕一端觀察光源的形狀，也可從同一位置看到像的形狀，便于對比分辨物和像的異同（如圖3）。

為了解決無法查看模型內部結構的問題，本項目設計了萬花筒、望遠鏡等8個實物模型，均能拆卸看到內部材料和結構特點，便于學生理解（如圖4）。

實驗裝置功能拓展

利用丁達爾效應瓶和放映箱還能開展哪些實驗呢？經過研究發現，可以將二者的功能進行拓展，實現一物多用，本項目將與之相關的同類實驗設計出來，并將所需的實驗組件制作出來，配套使用。對丁達爾效應瓶進行集成化改造，用淺黃色亞克力塑料塊作為光的折射介質，用激光筆從側面照射可以演示光的折射，在制作過程中偶然發現因為照射角度的不同，從頂端照射不能形成折射現象，卻可以形成全反射現象。加上鏡面反射、漫反射等材料，就可以在該瓶中看到清晰的實驗現象。放映箱則可通過增加光板，用不同大小和形狀的孔探究孔的大小、形狀對成像的影響，探究成像屏與光源距離遠近對成像的影響；還可通過改變光源和光板上的圖案，演示手影和皮影戲的工作原理等（如圖5）。如此一來，放映箱就變成了多功能放映箱。

制作過程

●制作80cm×50cm×20cm的長方體大箱體，用于存放所有組件，并在箱蓋內面粘貼4開的白紙作為屏幕。

●制作40cm×20cm×12cm的長方體放映箱，20cm×12cm的面沒有木板，用于安裝成像屏和光源，40cm×12cm的上蓋面中間位置開槽，用于插裝光板、凸透鏡、半透鏡等。

●制作8塊23.5cm×13cm×0.5cm的黑色亞克力光板，中間分別有直徑0.5cm、0.8cm、1cm、3cm的圓孔和直徑0.5cm的三角形小孔和五角星形小孔，以及直徑1cm的五角星形大孔，還有一塊中間是邊長2cm的等邊三角形孔及1個向上的高2cm的黑色箭頭。

●制作1塊23.5cm×13cm×0.5cm的木板，中間挖出直徑5cm的圓孔，用膠槍固定安裝直徑5cm的凸透鏡，制成凸透鏡光板。

●制作1塊23.5cm×13cm×0.5cm的半透鏡；制作1塊23.5cm×13cm×0.5cm的彩色亞克力圖像，用于演示投影儀工作原理；制作1塊23.5cm×13cm×0.5cm的彩色海底世界圖像，中間安裝1片抽拉條，抽拉條上是一群魚的畫面，用于演示動畫片的工作原理；制作1塊23.5cm×13cm×0.5cm的透明亞克力塊，粘貼1個向上的藍色箭頭，1個向左的黑色箭頭在藍色箭頭下面，用于演示透明圓柱成像。

●磨制1塊20cm×1.5cm×1.5cm的長方體透明黃色亞克力塊，用于演示折射和全反射；1塊20cm×1.5cm×1.5cm的長方體木板，木板一側安裝20cm×1.5cm的平面鏡，用于演示鏡面反射；平面鏡上粘貼5cm×2.5cm的紙片，上面畫有角度相同的入射光線和反射光線，用于演示光線傳播的可逆性；另一側安裝有20cm×1.5cm凹凸不平的鏡面，用于演示漫反射。

●制作直徑5.5cm、高度5cm的安裝件4個，中間有直徑4.9cm的圓孔，在安裝件的中間用膠槍分別固定凸透鏡、凹透鏡、凸面鏡、凹面鏡。

●制作厚度0.5cm、直徑6cm、長20cm的亞克力透明圓筒2只，直徑5.9cm的透明亞克力底蓋4個，底蓋能夠更換為凸透鏡等鏡片，制成丁達爾效應瓶。

●制作1個18cm×11cm×0.5cm的長方體背投成像屏，屏幕采用抗光灰全息投影膜。制作1個18cm×11cm×1.5cm的長方體燈盒，18cm×11cm面安裝1塊同樣大小的平面鏡，將12伏燈帶粘貼在其內部四周，接上電源線和插頭，制成深淵鏡模型；制作1個L型光源。

●制作1個太陽灶模型；磨制20cm×3cm×1.5cm黃色透明玻璃1塊，一面粘貼白紙，上面畫1條垂直于另一邊的垂線，被垂直的一面用7000目的砂紙和拋光膏磨制成鏡面。

●制作厚0.5cm、直徑6cm、長30cm和20cm的黑色亞克力圓筒各1只，配備4個厚0.5cm、直徑5.5cm的黑色亞克力圓片，其中2個圓片中間有直徑4.9cm的圓孔，另外2個圓片中間有直徑2.9cm的圓孔。在20cm長的圓筒兩端，分別安裝1片直徑為5cm凸透鏡和1片直徑為3cm的凹透鏡，制成伽利略望遠鏡模型；在30cm長的圓筒兩端，分別安裝1片直徑5cm的凸透鏡和1片直徑3cm的凸透鏡，制成開普勒望遠鏡模型。

●制作厚度0.5cm、直徑4cm、長20cm的亞克力透明圓筒1只，一端安裝粘貼1個直徑4cm、高度2cm的圓柱形亞克力盒，里面放入幾片彩色塑料；裁剪3片20cm×3cm的長方形平面鏡片，組成1個截面為等邊三角形的空心三棱柱；裁剪1片厚度0.5cm、直徑3.9cm的黑色圓片，中間開1個直徑2cm的小孔，制成萬花筒模型。

●制作1只截面為正方形、邊長5cm、長25cm的透明亞克力方管，兩端斜切45°面，2塊與切面同樣大小的平面鏡相對安裝于兩端；在方管長方形兩面端相對位置各切出1個邊長4cm的正方形，作為潛望鏡的光線入口和出口，并切割2塊3.9cm的正方形透明亞克力片，用于封閉切口；在方管平行四邊形的一面與長邊平行粘貼1條1.5cm寬的膠帶，在垂直于光線入口和出口的位置粘貼1.5cm寬的膠帶，與長邊平行的膠帶垂直相交，隨后將方管和膠帶上都噴上黑色油漆，晾干后將膠帶去掉，即制成垂直的“Z”型半透明新潛望鏡模型，充入煙霧后用激光筆照射，就可以看到景物通過潛望鏡傳入觀察者眼睛里的光線傳播路徑。

●切割光導纖維1m，在一端安裝12伏LED燈珠；制作1個U型PE管，直徑2.5cm，長10cm，2個垂直拐角長均為2cm，制成光導纖維模型。

●購買透明玻璃圓柱、透明玻璃球、三棱鏡各1塊；F型光源1個、激光筆2只、四色光手電3只、彩色遮光板5塊、紅白兩色電子蠟燭各1只、12伏鋰電池1塊、打火機1個、熏香1支、直尺1把。

制作完成，整合裝箱

經過3個月的調試與改進，本套設備全部制作完成，由60余個組件構成。

●自制大箱體1個，箱蓋內側安裝有4開紙大小的投影屏幕，所有組件均裝于其中，實驗準備便捷高效（如圖6）。

●自制多功能放映箱1個，配套有14塊光板、鏡片，抗光灰全息投影膜制成的背投成像屏。

●自制丁達爾效應瓶2個，帶有上下底蓋。

●自制集成的反射、折射、鏡面反射、漫反射、全反射、光線傳播可逆性演示裝置1套，鑲嵌在亞克力瓶底蓋上，便于打開瓶蓋往瓶內充入煙霧（如圖7）。

●自制半透型丁達爾效應潛望鏡、膠片電影機、開普勒望遠鏡、伽利略望遠鏡、萬花筒、光導纖維、深淵鏡模型及組件。

●自制凸透鏡安裝件4片、凹透鏡安裝件2片、凸面鏡安裝件1片、凹面鏡安裝件1片。

●透明玻璃圓柱、透明玻璃球、三棱鏡各1片；F型光源1個、激光筆2只、四色光手電3只、彩色遮光板5塊；紅白兩色電子蠟燭各1只；12伏鋰電池1塊、打火機1個、熏香1支、直尺1把。

使用方法

●將大箱體放置在水平桌面上，打開箱蓋作為電影機和色光分解與混合的放映屏幕。

●將放映箱一端放置成像屏面向學生，另一端安裝光源。將14塊帶有不同孔徑的小孔板、彩色板、動畫板、凸透鏡等光板依次插入放映箱中間的卡槽，探究小孔成像與小孔大小、形狀、距離遠近對像的大小、形狀、清晰度的影響，探究手影和皮影戲的工作原理，探究凸透鏡成像，演示投影儀的工作原理，探究透明圓柱和圓球的成像特點，演示平面鏡成像的特點。

●向2個丁達爾效應瓶和潛望鏡內注入煙霧，依次安裝折射、反射、全反射安裝件、凸透鏡、凹透鏡、凸面鏡、凹面鏡安裝件，配合光導纖維、望遠鏡模型、深淵鏡模型、萬花筒模型即可演示折射、反射、鏡面反射、漫反射、全反射、光線傳播的可逆性；演示光導纖維、潛望鏡的工作原理；演示凸透鏡和凹面鏡對平行光線的匯聚作用、凹透鏡和凸面鏡對平行光線的發散作用；探究開普勒望遠鏡和伽利略望遠鏡的構造及成像特點；探究半透鏡、深淵鏡、萬花筒的構造特點及成像原理。

●將電影機模型、三棱鏡、彩色遮光板、四色光手電對著箱蓋大屏幕，即可演示膠片電影機的工作原理，演示三棱鏡把白光分解為紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七色光，演示色光板對白光的過濾作用，演示光的三原色混合產生新的色光的過程。